多單位聯(lián)合綜述《Polym. Rev.》：共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的3D打印概述

來源：EngineeringForLife

3D打印，也稱為增材制造(AM)技術(shù)，目前已經(jīng)發(fā)展了多種相關(guān)打印技術(shù)。然而，由于大多數(shù)打印結(jié)構(gòu)不可回收和不可再加工的性質(zhì)，廢棄的3D打印物體在損壞或使用后會(huì)產(chǎn)生諸多廢物。而共價(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（CAN）是一種聚合物網(wǎng)絡(luò)，可通過在外部刺激下交換其功能來改變其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩�使打印的物體可回收有助于減少浪費(fèi)，所制造的物體還可以被賦予諸如自愈、形狀記憶、增強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度、可降解性和可重印性等特性。

近日，來自奧地利萊奧本大學(xué)的Sandra Schlögl、印度石油和能源研究所(UPES)的Sravendra Rana、韓國首爾國立大學(xué)的Gun Jin Yun、韓國首爾建國大學(xué)的Muhammad Jamil團(tuán)隊(duì)共同對(duì)共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)（CAN）的3D打印進(jìn)行了相關(guān)概述。本文介紹了用于3D打印具有CAN的聚合物的不同方法，包括對(duì)該領(lǐng)域當(dāng)前趨勢(shì)和技術(shù)的詳細(xì)見解。此外，還討論了它們的應(yīng)用，特別是在軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

相關(guān)綜述論文以“3D Printing of Covalent Adaptable Networks: Overview, Applications and Future Prospects”為題于2023年6月30日發(fā)表在《Polymer Reviews》上。

圖1 共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的3D打印概述

1. 3D打印的方法和技術(shù)
近年來，聚合物在增材制造技術(shù)中的使用顯著增長(zhǎng)，以制造定制的、復(fù)雜的和高分辨率的印刷物體。一些常用的3D打印方法，例如還原光聚合、材料擠出和粉床熔融，它們可用于具有共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的聚合物的增材制造。打印工藝的適用性取決于所使用的聚合物材料的類型、所采用的聚合物加工技術(shù)以及需要?jiǎng)?chuàng)建的部件的質(zhì)量/分辨率。在此部分，作者首先對(duì)還原光聚合、材料擠出和粉床熔融三種打印技術(shù)進(jìn)行相關(guān)敘述。同時(shí)，作者在表1中總結(jié)了使用各種化學(xué)物質(zhì)3D打印共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的不同類型方法。

表1 不同類型共價(jià)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的3D打印方法及其特性（部分）

然后，作者通過展示具有代表性的研究工作來說明共價(jià)可回收的3D打印。圖2展示了一種基于UV固化的高分辨率DLP打印機(jī)來開發(fā)3D打印的可回收熱固性材料，該熱固性材料可以修復(fù)、重塑和回收，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的3D打印。此外，通過在打印的聚合物系統(tǒng)中合并可交換的動(dòng)態(tài)連接，將數(shù)字控制的單層2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為3D結(jié)構(gòu)。光被投射到可光固化的化學(xué)前體上，聚合物核心中的鍵交換能夠?qū)τ∷⑽锲愤M(jìn)行修改，以創(chuàng)建變形裝置（圖3）。

圖2 光聚合3D打印的回收材料

圖3 雙面數(shù)字光模塊化4D打印

2. 共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)3D打印的應(yīng)用
（1）軟機(jī)器人和執(zhí)行器
軟機(jī)器人設(shè)備通常由彈性聚合物制成。它們被用于處理精致物體時(shí)安全交互至關(guān)重要的各個(gè)領(lǐng)域。由于軟機(jī)器人和執(zhí)行器通常由容易變形的彈性聚合物（例如有機(jī)硅和聚氨酯）組成，因此它們非常容易因各種因素而損壞，例如鋒利邊緣的切割、過載、紫外線降解、疲勞、界面脫粘等。使用自修復(fù)材料或聚合物進(jìn)行軟機(jī)器人的加工或增材制造可以幫助損傷恢復(fù)并自主或通過外部觸發(fā)恢復(fù)其功能特性。

（2）生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
增材制造工藝已在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中得到廣泛探索，例如組織支架的制造和工程、藥物輸送系統(tǒng)、植入裝置和假肢、生物打印等。水凝膠與各種生物打印方法相結(jié)合時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)使用水凝膠網(wǎng)絡(luò)的生物制造。為了實(shí)現(xiàn)水凝膠的智能仿生制造，可以將可逆動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵納入水凝膠聚合物基質(zhì)中，如基于硼酸酯動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵、腙的動(dòng)態(tài)鍵水凝膠（圖4）。

圖4 動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵水凝膠

（3）其他應(yīng)用
除上述應(yīng)用外，最近使用3D打印創(chuàng)建傳感器最近在可穿戴電子產(chǎn)品和電子皮膚（e-skin）方向取得了進(jìn)展。這些設(shè)備的組件（例如傳感元件）可以采用特定的配置來生產(chǎn)，以提高靈敏度、提高靈活性并縮短處理時(shí)間。基于具有高化學(xué)和熱穩(wěn)定性的動(dòng)態(tài)共價(jià)熱固性材料的電子皮膚，在操作條件下，其傳感、修復(fù)和回收能力已得到研究（圖5）。

圖5 動(dòng)態(tài)共價(jià)熱固性材料的電子皮膚

3. 結(jié)論和未來展望
本文討論的增材制造聚合物材料的自修復(fù)基于內(nèi)在的自修復(fù)，其包含可以通過外部觸發(fā)進(jìn)行可逆鍵交換的潛在功能。這些動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的可逆鍵交換本質(zhì)上是締合和解離的，并已有效地應(yīng)用于3D打印。除了自修復(fù)和形狀記憶特性之外，本文還討論了CAN帶來的打印物體的可再加工性、可回收性以及增強(qiáng)的化學(xué)和熱機(jī)械特性。

使用FDM、DIW、DLP等其他3D打印技術(shù)來改善化學(xué)和機(jī)械行為，在組織和骨工程應(yīng)用的生物材料生物制造等過程中可能會(huì)看到更多進(jìn)展。由于全球范圍內(nèi)不斷增加的投資、研究和開發(fā)，在可預(yù)見的未來，可能會(huì)出現(xiàn)從傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝到具有先進(jìn)性能的3D打印CAN的轉(zhuǎn)變。雖然與增材制造產(chǎn)品的不可回收性相關(guān)的一些環(huán)境問題已經(jīng)得到解決，但通過在共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域?qū)υ�材料的持續(xù)研究，仍然存在進(jìn)一步改進(jìn)的巨大潛力，以建立和維持循環(huán)利用經(jīng)濟(jì)。

摩方精密作為微納3D打印的先行者和領(lǐng)導(dǎo)者，擁有全球領(lǐng)先的超高精度打印系統(tǒng)，其面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)可應(yīng)用于精密電子器件、醫(yī)療器械、微流控、微機(jī)械等眾多科研領(lǐng)域。在三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)微加工領(lǐng)域，摩方團(tuán)隊(duì)擁有超過二十年的科研及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。針對(duì)客戶在新產(chǎn)品開發(fā)中可能出現(xiàn)的工藝和材料難題，摩方將持續(xù)提供簡(jiǎn)易高效的技術(shù)支持方案。

原文鏈接：https://doi.org/10.1080/15583724.2023.2227692